肠道菌群与肥胖和糖尿病的关系

刘艳清 易秋艳 邵加庆

·读者·作者·编者·

肠道菌群与肥胖和糖尿病的关系

刘艳清 易秋艳 邵加庆

人的胃肠道内寄居着种类繁多的单细胞微生物，称为肠道菌群。基因、出生方式、婴幼儿喂养模式、抗生素应用、卫生居住条件以及长期的饮食习惯有助于塑造肠道菌群的组成。越来越多的动物和人体研究表明肠道菌群与肥胖和2型糖尿病密切相关。肠道菌群可通过宿主能量代谢、免疫系统及炎性反应等影响代谢综合征及2型糖尿病的发生、发展。干预肠道菌群有可能成为防治肥胖及糖尿病的新靶点。

肠道菌群；2型糖尿病；肥胖

随着环境和生活水平的改变，肥胖和糖尿病尤其是2型糖尿病的发病率大幅增加，严重威胁人类健康。肠道菌群的基因组信息总和为“肠道元基因组”，仅次于先天遗传基因组，为影响人体健康的人类“第二基因组”，是人体的“超级微生物体”。其与人体基因组一起通过与环境条件的相互作用，影响人体病理生理状态。最近，肠道菌群与肥胖、2型糖尿病、心血管疾病等相关疾病的关系引起了人们的极大关注[1]。本文就肠道菌群与肥胖和糖尿病的最新研究进展作一综述。

1 肠道菌群概述

人体是最大的微生物系统，其中大量定植在人体消化道内的微生物称为肠道菌群。人类胎儿的肠道是无菌的，尽管最近有研究提出“胎盘微生物”这一假说。受分娩方式、喂养方式、居住环境以及抗生素使用等因素影响，婴幼儿肠道菌群结构高度不稳定，直到2～3岁或进食固体性食物，肠道菌群结构逐渐稳定接近成人[2]。成人肠道栖息约1014数量级的细菌，总重1～1.5 kg,几乎是成人自身细胞个数的10倍，其编码的基因总量至少是人体自身编码基因数量的100倍，被统称为宏基因组。粪便中约50%比重来源于细菌及其“尸体”。成人个体肠道菌群结构相对稳定，种类繁多，但个体间差异很大。在生物分类门水平，肠道细菌中绝大多数(90%)属厚壁菌门及拟杆菌门，其次是变形菌门，还有少量分属疣微菌门、放线菌门、梭菌、蓝藻菌门、螺旋体门、VadinBE97菌门和古生菌等[3]。肠道细菌密集定居于人肠上皮细胞表面黏液层中，其密度分布由肠道远端向近端、肠腔内向肠腔外两个方向递减。同时，肠道菌群多样性也同向递减。肠道菌群与人体共同进化，相互作用，实现生态共享，为宿主提供其自身不具备的酶和生化代谢通路，相当于人后天获得的一个重要“器官”[4]。肠道菌群失调不仅引起胃肠道疾病，还可诱发肥胖、心血管疾病、糖尿病等代谢相关疾病。

2 肠道菌群与肥胖和糖尿病

胰岛素抵抗是2型糖尿病重要的发病机制，而肥胖是产生胰岛素抵抗的重要因素。研究发现，常规培养的小鼠比无菌小鼠体脂含量高40%, 性腺脂肪含量高47%；将常规培养小鼠的肠道菌群移居至无菌小鼠，2周内无菌小鼠的脂肪量上升约60%，并发生胰岛素抵抗[4]。进一步研究发现，小鼠和人类肠道菌群差异很大，但最主要的两种肠道菌群是一致的，即厚壁菌门Firmicutes—“胖菌”和拟杆菌门Bacteriodetes—“瘦菌”，且饮食及肥胖程度可影响此两种菌群比例；肥胖者与非肥胖对照者相比，瘦菌数量较低而胖菌数量较高，但经过52周限制脂肪摄入或限制碳水化合物摄入的饮食干预后，两种细菌比例逐渐恢复、体重下降[5]。 Le Chatelier等[6]利用全基因组关联分析将169名肥胖者和123名非肥胖者按肠道菌群基因数量分为低菌群基因组(LGC组)和高菌群基因组(HGC组)。结果发现，LGC组比HGC组体脂含量升高，有更明显的胰岛素抵抗、血脂异常和炎性反应表征；在生物分类门水平， LGC组以变形菌门及瘦菌居多，而HGC组以疣微菌门、放线菌门及古生菌居多；在低生物分类水平，LGC组机会致病菌梭菌、黏膜降解相关的Akkermansia菌属多，而HGC组产生丙酸盐的细菌多；基因功能研究也表明LGC组抵抗氧化应激能力相关基因多，而某些促肿瘤过程发生相关的基因也较多(如β-葡糖苷酸降解、芳香族氨基酸代谢等)。由此可见，肥胖不仅与肠道菌群的数量和结构有关，与其基因多样性亦存在一定关系。一项新的研究将来自一胖一瘦双胞胎姐妹的肠道菌群移植到无菌小鼠肠道内，结果发现移植了双胞胎中胖者肠菌的小鼠(Ob小鼠)比移植了瘦者肠菌的小鼠(Ln小鼠)体脂增加更多；在同一笼子饲养后，Ob小鼠的肥胖程度及体重指数并未增加，Ln小鼠依然消瘦，菌群分析显示Ob小鼠瘦菌增多，这种入侵性的瘦菌是拟菌[7]。提示肥胖等代谢特征可通过肠道菌群传播。将肥胖大鼠肠道的高比值硬壁菌与拟杆菌移植给无菌小鼠，可成功复制出肥胖表型，而且鉴定出3种胖菌：颤杆菌、梭菌属14a簇及4簇[8]。提示肠道菌群失调是导致肥胖的原因而不是结果。

为分析2 型糖尿病患者肠道微生物组成，深圳华大基因研究院对345名中国受试者肠道微生物DNA进行两阶段全基因组关联分析。结果显示2型糖尿病患者以中度肠道微生物菌群失调为特征，一些常见的产丁酸盐细菌罗氏菌属和柔嫩梭菌群丰度下降，而各种条件致病菌(如粪拟杆菌、梭菌目、大肠杆菌等)、黏液素降解菌及硫酸盐还原菌增多。值得注意的是，健康对照组中的副流感嗜血杆菌较糖尿病组显著增加，其对宿主的生理影响有待进一步研究。对额外23名受试者的分析证实这些肠道微生物指标可能有助于诊断2型糖尿病[9]。Zhang等[10]利用16S-rRNA的分子生物学方法分析64名2型糖尿病前期者及13例新诊断2型糖尿病患者的肠道微生物。结果显示，与健康对照者相比，糖尿病前期者柔嫩梭菌群和副流感嗜血杆菌数量增加,而硫酸盐还原菌及梭菌目Clostridiales sp. SS3/4数量减少，与Qin等[9]的研究结果不一致；疣微菌门在2型糖尿病前期者及新诊断糖尿病患者中显著减少。尽管1型糖尿病与2型糖尿病的发病机制不同，有些研究也发现1型糖尿病患者的肠道微生物发生改变[11-12]。

3 肠道菌群引起糖尿病的作用机制

3.1 肠道菌群与能量平衡 肠道菌群可能通过影响能量平衡，促进脂肪存储，引起肥胖及胰岛素抵抗。肠道细菌特别是拟杆菌门含丰富的多糖消化酶，最重要的代谢功能是能够发酵食物中由宿主自身不能消化、分解的碳水化合物，包括大分子植物多糖(如抗性淀粉、纤维素、半纤维素、胶质)和部分寡糖(如寡果糖、菊粉等)以及由上皮细胞产生的内生黏液，并将其转化为代谢终产物短链脂肪酸(SCFAs)。存在于人体内的SCFAs主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，其中丁酸盐比例最大。SCFAs经氧化后可为机体多个器官提供能量，包括结肠黏膜组织、肝脏、部分肌肉和脂肪组织。大量研究已证明，瘦型小鼠比肥胖小鼠肠道微生物产生更多的SCFAs，尤其是丙酸盐和丁酸盐。Vrieze 等[13]研究指出，肠腔灌注瘦者肠道菌群6周后，产丙酸盐细菌增加。全基因组关联分析研究在2型糖尿病受试组发现，产SCFAs(丁酸盐)细菌减少。提示SCFAs可能对代谢性疾病有保护作用。G蛋白耦联受体41和43是目前已发现的仅有的2种特异性SCFAs受体。SCFAs激活G蛋白耦联受体41可导致胃肠肽类激素酪酪肽水平显著增加，抑制肠蠕动；SCFAs介导活化的 G蛋白耦联受体43不仅可干扰脂肪组织胰岛素信号通路从而抑制脂肪蓄积，还可通过促进肠道胰高血糖素样肽-1的分泌而增强胰岛素敏感性；此外，SCFAs还可促进小肠糖异生[14]。而有研究表明，肥胖者粪便SCFAs含量较瘦者多，可能由于肥胖者肠道菌群发酵植物多糖较瘦者多[15]。总之，SCFAs对人体作用复杂，其在肥胖、糖尿病及其他代谢性疾病中的作用值得进一步研究。

此外，肠道菌群还能通过调节小肠分泌蛋白的表达发挥作用。肠上皮细胞可以产生禁食诱导脂肪细胞因子(Faif)，它是一种强效的脂蛋白脂肪酶抑制剂，能抑制白色脂肪组织和肌肉组织吸收血液中富含甘油三酯的脂蛋白中的脂肪酸，并促进脂肪酸在骨骼肌细胞和脂肪细胞中的氧化，而肠道菌群能够调控Faif的表达。Bäckhed等[4]比较无菌小鼠、野生型小鼠和Fiaf-/-小鼠发现，与无菌小鼠相比，野生型小鼠回肠Faif表达减少，脂肪组织生成增加；无菌小鼠接种细菌后回肠Fiaf的表达显著抑制，脂肪储存增加，且与无菌的Fiaf-/-小鼠有相似的脂肪含量。后续研究阐明无菌小鼠小肠Faif的表达水平升高，能诱导一种与棕色脂肪细胞的分化及其生理功能关系密切的辅助转录激活因子——过氧化物酶体增殖物活化受体协同刺激因子-1α，增加脂肪酸氧化酶的转录活性使脂肪酸β氧化速率增加，从而抵抗饮食诱导的肥胖[16]。

3.2 肠道菌群与固有免疫系统 最近有研究发现，Toll样受体5基因敲除小鼠出现食欲增加、高脂血症、高血压、胰岛素抵抗、肥胖等代谢综合征表现以及肠道菌群改变。抗生素干预后，代谢综合征有所缓解。将此小鼠的肠道菌群移植到GF野生型瘦型小鼠体内，可以复制上述代谢综合征表现[17]。说明固有免疫信号对代谢综合征的发生、发展至关重要，肠道菌群的改变能诱导代谢综合征的发生。

炎性小体是由多种蛋白质组成的复合体，能够调节caspase-1的活化，进而在天然免疫防御的过程中促进细胞因子前体前白细胞介素-1β和前白细胞介素-18的切割成熟。其还能调节caspase-1依赖的细胞凋亡，诱导细胞在炎性和应激的病理条件下死亡。目前发现的炎性小体一般均含有凋亡相关微粒蛋白、caspase蛋白酶以及一种NOD样受体(NLR)家族蛋白(如NLRP1)或HIN200家族蛋白(如AIM2)。越来越多的研究发现，炎性小体可改变宿主肠道菌群，进而引起代谢综合征以及脂肪肝等疾病。给予炎性小体缺如小鼠胆碱缺乏饮食4周易发生肝脂肪变性、肝脏炎性反应以及2型糖尿病；进一步研究发现，炎性小体缺如小鼠与野生型小鼠共同生活后会导致前者的脂肪肝、肥胖加剧[18-19]。提示因炎性小体缺乏而导致的肠道菌群改变与宿主之间的相互作用可能控制代谢综合征的进展。然而，这种现象与人类疾病的相关性仍有待进一步研究证明。

3.3 肠道菌群与代谢性内毒素血症 脂多糖是G-细菌细胞壁中的一种成分，由G-杆菌溶解后释放，是内毒素产生毒性效应的主要生物活性成分。近期一些研究表明脂多糖可能在2型糖尿病慢性炎性反应中起关键作用。Cani等[20]提出了肠道菌群改变促使肥胖发生的假说，即高脂饮食通过改变肠道菌群结构，引起代谢性内毒素血症，然后通过脂多糖/CD14信号通路引起慢性系统性炎性反应，导致肥胖、胰岛素抵抗。

Cani等[20]首先发现高脂膳食可以增加小鼠产脂多糖肠道菌群，从而增加脂多糖水平，形成代谢性内毒素血症。高脂多糖水平会加速高血糖和胰岛素抵抗的形成以及增加肥胖的炎性反应程度。而低聚糖和抗生素干预均能降低高脂喂养小鼠肠道的革兰阴性菌和革兰阳性菌的比率以及血浆脂多糖水平，且这种效应与糖耐量水平、脂肪积累、氧化应激、炎性反应水平和脂肪组织炎性反应程度有关。CD14基因是固有免疫系统识别脂多糖并引起炎性反应发生的位点。CD14基因敲除小鼠与抗生素诱导小鼠表现类似[21]。随后，Cani等[22]又发现益生元可以引起ob/ob小鼠体内脂多糖水平下降，胰高血糖素样肽-2水平上升，肠紧密连接蛋白基因表达水平增加，而使用胰高血糖素样肽-2抑制剂，可以消除益生元的有益作用，说明胰高血糖素样肽-2可能参与维持肠道屏障的完整性。这些研究均有力地说明肠道菌群改变可诱发代谢性内毒素血症，进而引起的系统性炎性反应与肥胖、胰岛素抵抗以及脂肪肝等密切相关。

4 肠道菌群可能成为肥胖及2型糖尿病治疗的新靶点

近年来通过调节肠道菌群维持人体健康已逐渐成为人们关注的焦点，包括饮食、药物、益生元等在内的肠道调节已广泛开展。高脂饮食可引起肠道菌群失调，进而引起代谢紊乱。饮食中添加能够影响肠道菌群组成的营养成分如低聚葡萄糖、膳食纤维，防止代谢紊乱的发生已经得到共识。最新研究显示，饮食与性别以及两者的相互作用影响了肠道菌群的组成。由此科学家建议，任何试图通过改变肠道菌群治疗胃肠道疾病的手段，应考虑加入“性别”这一因素[23]。

越来越多的研究发现某些降糖药物可影响肠道菌群。刘海霞等[24]发现2型糖尿病患者体内双歧杆菌数量明显降低，而阿卡波糖干预可显著增加患者体内双歧杆菌数量。随后，张秀英等[25]又发现阿卡波糖治疗可增加患者肠道内乳酸杆菌类益生菌群的丰度，降低有害菌的比例, 改善肠道微生态环境。最近有研究发现，高脂膳食合并二甲双胍处理小鼠肠道内黏液素降解菌Akkermansia较高脂膳食小鼠显著增多，产黏液素杯状细胞在经二甲双胍处理后也明显增加[26]。这些结果提示肠道菌群的调节可能是阿卡波糖、二甲双胍等降糖药物改善糖尿病的一种新机制，药物对肠道菌群的调节尤其是增加益生菌可能是治疗2型糖尿病的一种潜在方法。

研究显示，将瘦者粪便通过胃十二指肠管道移植到合并代谢综合征的肥胖者体内，其胰岛素敏感性改善。粪便移植6周后，肥胖者肠道微生物多样性增加，产丁酸盐细菌肠炎胎弧菌增加2.5倍，但其SCFAs总体水平降低[13]。尽管该结果很有吸引力，但仍需一系列大型、设计精良的研究来进一步证明该方法是否有利于代谢综合征或2型糖尿病患者。

5 小结

人类对肠道菌群的了解才刚刚开始。肠道菌群通过其基因、中间产物、代谢活力等影响着宿主的代谢和能量吸收以及非特异性免疫调节。长期高脂饮食可造成肠道菌群失调，由此而造成的代谢性内毒素血症参与肥胖及胰岛素抵抗的发生，进而促进2型糖尿病的发生、发展。然而，现有研究证据存在一些矛盾之处，加之大部分研究来自动物模型，对人群研究较少、样本量小，且人体肠道菌群组成极其复杂，其结构和功能受遗传因素、环境因素、饮食结构、性别以及自身健康状态等多种因素共同影响，肠道菌群与2型糖尿病的相互关系仍有待更深入的研究。干预肠道菌群为2型糖尿病防治提供了一个新思路。

[1] Devaraj S, Hemarajata P, Versalovic J. The human gut microbiome and body metabolism: implications for obesity and diabetes[J].Clin Chem,2013, 59(4): 617-628.

[2] Voreades N, Kozil A,Weir TL.Diet and the development of the human intestinal microbiome[J].Front Microbiol,2014,5:494.

[3] Flintoft L.Disease genomics: associations go metagenome-wide[J]. Nat Rev Genet, 2012, 13(11): 756.

[4] Bäckhed F, Ding H, Wang T, et al. The gyt microbiota as an environmental factor that regulates fat storage[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2004,101(44): 15718-15723.

[5] Ley RE,Turnbaugh PJ,Klein S,et al.Microbial ecology:human gut microbes associated with obesity[J].Nature,2006, 444: 1022-1023.

[6] Le Chatelier E, Nielsen T, Qin J, et al. Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers[J].Nature, 2013,500(7464): 541-546.

[7] Ridaura VK, Faith JJ, Rey FE, et al. Gut microbiota from twins discordant for obesity modulate metabolism in mice[J].Science, 2013,341(6150):1241214.

[8] Duca FA, Sakar Y, Lepage P,et al. Replication of obesity and associated signaling pathways through transfer of microbiota from obese-prone rats[J].Diabetes,2014,63(5):1624-1636.

[9] Qin J, Li Y, Cai Z, et al.A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes[J].Nature,2012，490(7418)：55-60.

[10] Zhang X, Shen D, Fang Z, et al. Human gut microbiota changes reveal the progression of glucose intolerance[J].PLoS One，2013，8(8):e71108.

[11] Giongo A, Gano KA, Crabb DB, et al. Toward defining the autoimmune microbiome for type 1 diabetes[J].ISME J, 2011,5(1):82-91.

[12] Murri M, Leiva I, Gomez-Zumaquero JM, et al. Gut microbiota in children with type 1 diabetes differs from that in healthy children: a case-control study[J]. BMC Med ,2013,11:46.

[13] Vrieze A, Van Nood E, Holleman F, et al. Transfer of intestinal microbiota from lean donors increases insulin sensitivity in individuals with metabolic syndrome[J].Gastroenterology,2012, 143(4): 913-916.e7.

[14] Tilg H,Moschen AR.Microbiota and diabetes:an evolving relationship[J]. Gut,2014,63(9):1513-1521.

[15] Layden BT, Angueira AR, Brodsky M, et al. Short chain fatty acids and their receptors: new metabolic targets[J].Transl Res, 2013, 161(3): 131-140.

[16] Bäckhed F, Manchester JK, Semenkovich CF, et al. Mechanisms underlying the resistance to dietinduced obesity in germ-free mice[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2007,104(3):979-984.

[17] Vijay-Kumar M,Aitken JD,Carvalho FA, et al. Metabolic syndrome and altered gut microbiota in mice lacking Toll-like receptor 5[J].Science,2010,328(5975):228-231.

[18] Stienstra R, Joosten LA, Koenen T, et al. The inflammasome-mediated caspase-1 activation controls adipocyte differentiation and insulin sensitivity[J].Cell Metab, 2010,12(6):593-605.

[19] Henao-Mejia J, Elinav E, Jin C, et al. Inflammasome-mediated dysbiosis regulates progression of NAFLD and obesity[J].Nature,2012,482(7384):179-185.

[20] Cani PD, Amar J, Iglesias MA, et al. Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance[J].Diabetes, 2007, 56(7): 1761-1772.

[21] Cani PD, Bibiloni R, Knauf C, et al. Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice[J].Diabetes, 2008, 57(6): 1470-1481.

[22] Cani PD, Possemiers S, Van de Wiele T, et al. Changes in gut microbiota control inflammation in obese mice through a mechanism involving GLP-2-driven improvement of gut permeability[J].Gut, 2009,58(8):1091-1103.

[23] Bolnick DI, Snowberg LK, Hirsch PE，et al. Individual diet has sex-dependent effects on vertebrate gut microbiota[J].Nat Commun,2014,5:4500.

[24] 刘海霞，李晶，刘奔，等.阿卡波糖对2型糖尿病患者粪便中双歧杆菌数量的影响[J].中华内分泌代谢杂志，2011,27(11):928-931.

[25] 张秀英，韩学尧，陈颖丽，等.阿卡波糖对糖尿病前期患者肠道菌群的影响∥中华医学会糖尿病学分会第十六次全国学术会议论文汇编，成都，2012[C].北京：《中华医学杂志》社有限责任公司，2012：119.

[26] Shin NR, Lee JC, Lee HY, et al.An increase in the Akkermansia spp. population induced by metformin treatment improves glucose homeostasis in diet-induced obese mice[J].Gut,2014,63(5):727-735.

Relationshipbetweengutmicrobiota,obesityanddiabetes

LiuYanqing,YiQiuyan,ShaoJiaqing.

DepartmentofEndocrinology,NanjingGeneralHospitalofMilitaryCommand,NanjingClinicalInstituteofSouthernMedicalUniversity,Nanjing210002,ChinaCorrespondingauther:ShaoJiaqing,Email:shaojiaq@hotmail.com

A wide variety type of single-celled organisms residing in our intestines, which called gut microbiome.Genetics,mode of birth,infant feeding patterns,antibiotic usage,sanitary living conditions and longterm dietary habits contribute to shaping the composition of the gut microbiome.Datas are accumulated in animal models and humans suggesting that obesity and type 2 diabetes are associated with gut microbiota.The gut microbiota could affect the development of metabolic syndrome and type 2 diabetes through energy metabolism, host immune system and inflammatory reaction. Intervention of gut microbiota may become a new target for prevention and treatment of obesity and diabetes.

Gut microbiota; Type 2 diabetes mellitus; Obesity

(IntJEndocrinolMetab，2015，35：31-34)

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2015.01.007

国家自然科学基金资助项目(30900697，81471018)；江苏省医学重点人才项目(RC2011138); 江苏省自然科学基金项目(BK2012781)

210002 南京，南方医科大学南京临床学院南京军区南京总医院内分泌科(刘艳清)；南京大学医学院临床学院南京军区南京总医院内分泌科(易秋艳)；南京军区南京总医院内分泌科(邵加庆)

邵加庆 Email:shaojiaq@hotmail.com

2014-10-20)